VSAT衛(wèi)星通信技術在偏遠地區(qū)4G無線網(wǎng)絡部署中的應用

胡春波,余 亮,祝 昱,范吉明,史美逸

(烽火通信科技股份有限公司,湖北 武漢 430205)

0 引言

4G無線網(wǎng)絡主要采用地面?zhèn)鬏敺绞揭言谌虼蟛糠值貐^(qū)規(guī)模化部署,使得全球大部分民眾都享受到了科學技術發(fā)展帶來的便利。然而部分偏遠島嶼和山區(qū),雖然同樣有4G無線網(wǎng)絡通信的需求,但由于受到地理條件限制,光通信、微波通信等地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡無法進行部署,而衛(wèi)星通信具有廣覆蓋的特點,使得通過衛(wèi)星通信部署4G網(wǎng)絡具備可能性。

1 不同軌道衛(wèi)星通信技術方案對比

與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡通信相比,衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信傳輸距離遠、組網(wǎng)快速靈活、抗地面災害能力強等優(yōu)點。按軌道高度不同,分同步軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit,GEO)、中軌衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)和低軌衛(wèi)星(Low Earth Orbit,LEO)3種,如圖1所示。本文主要聚焦于同步軌道和低軌道方案進行研究。

圖1 多個軌道衛(wèi)星

1.1 同步衛(wèi)星

同步軌道衛(wèi)星處于約36 000 km 的固定高度,單向時延約250 ms。同步軌道衛(wèi)星適用于使用一顆或幾顆衛(wèi)星連續(xù)服務大范圍地區(qū)的情況,它的缺點在于所有用戶都要依賴單一來源來傳輸和管理,單個衛(wèi)星故障將會直接造成業(yè)務故障。它的優(yōu)點在于衛(wèi)星不會相對于觀測者移動,所以衛(wèi)星的通信設備只需要固定安裝和定向,且調測完成后不需要移動或調整方向。衛(wèi)星接收機不必小巧緊湊,并且同步衛(wèi)星在通信領域中技術相對成熟。

1.2 低軌衛(wèi)星

低軌衛(wèi)星處于海拔350 km至2 000 km的位置。與同步軌道衛(wèi)星相比,低軌衛(wèi)星更靠近地球,具有接入延遲較低、衛(wèi)星體積小更容易發(fā)射、所需衛(wèi)星信號傳輸功率低的特點。由于低軌衛(wèi)星離地球較近,它們的“視野”也較低,而且每顆低軌衛(wèi)星同時只能覆蓋地球表面的一小部分。這樣覆蓋范圍相對有限的低軌衛(wèi)星,使得需要發(fā)射大量衛(wèi)星維持目標覆蓋區(qū)域的連續(xù)性服務,目前網(wǎng)絡覆蓋和技術應用還不太成熟。

綜合考慮各類島嶼、山區(qū)等偏遠區(qū)域場景對4G無線網(wǎng)絡的基本需求,對時延的敏感度相對不高,優(yōu)先選擇技術應用相對成熟的同步軌道衛(wèi)星。

2 VSAT衛(wèi)星通信技術

VSAT技術是利用高軌道衛(wèi)星作為中繼,通過小型天線在兩端之間傳輸數(shù)據(jù),可以覆蓋大面積地區(qū),并且擁有可靠和穩(wěn)定的連接。VSAT 由多個專用設備組成:碟形衛(wèi)星天線(也稱為“反射器”)--一種由無線電不透材料組成的拋物面碟形天線,將進出衛(wèi)星的信息反射到天線的焦點;上變頻器 (Block Up-Converter,BUC)--上變頻器能夠將低能信號轉換為高能信號,用來“發(fā)送”來自 VSAT 的信號;低噪聲下變頻器 (Low Noise Block,LNB)--低噪聲下變頻器將高能信號轉換為低能信號,將從衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)轉換為調制解調器可用的信號;調制解調器(Modem)--專用硬件,將來自衛(wèi)星的信號轉換為計算機或計算機網(wǎng)絡可用的數(shù)據(jù)。

VSAT技術主要使用Ku波段和C波段,是衛(wèi)星通信中最常用的傳輸頻段[1]。Ku波段頻率范圍為12 GHz～18 GHz,Ku波段衛(wèi)星單轉發(fā)器功率一般比較大,多采用賦形波束覆蓋,衛(wèi)星EIRP較大,信號功率大使得天線口徑可以盡可能變小,從而有效地降低接收成本,方便個體接收。Ku波段連接的主要缺點是容易受干擾,陰雨天氣將會造成信號質量的下降,尤其是大暴雨的情況下,雨衰有可能超過20 dB,信號質量急劇下降,甚至會造成業(yè)務的閃斷或中斷。C波段頻率則為4 GHz～8 GHz,VSAT連接不易受干擾,可以提供更穩(wěn)定的連接,暴雨情況下C波段鏈路雨衰最高一般不超過3dB。C波段連接的主要缺點是安裝和維護成本更高。

綜合考慮島嶼、山區(qū)等偏遠區(qū)域對4G無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性要求不高,結合C波段和Ku波段不同的建設成本以及衛(wèi)星帶寬的資源滿足度情況,本方案優(yōu)先選用Ku波段。

3 4G無線網(wǎng)絡與VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)適配

4G網(wǎng)絡采用扁平化全IP分布式結構,網(wǎng)絡主要構架分為用戶設備(User Equipment,UE)、基站(eNodeB)、核心網(wǎng)(Evolved Packet Core,EPC)?；局饕撠熗琔E建立通信連接,并提供網(wǎng)絡覆蓋。eNodeB和EPC之間通過傳輸網(wǎng)絡互連,相關業(yè)務有3種:操作與維護(Operations and Maintenance,OAM)、S1、X2。

4G基站通過控制業(yè)務帶寬以及優(yōu)先級調度策略,確保各類信息能夠根據(jù)4G無線網(wǎng)絡需求合理地通過衛(wèi)星系統(tǒng)。4G基站上行限制在2 Mbps,下行限制在6 Mbps,確保無線基站單站點帶寬需求量與衛(wèi)星系統(tǒng)單站點傳輸能力匹配。

基于4G無線網(wǎng)絡實際需求,衛(wèi)星傳輸鏈路使用QoS[2]策略,優(yōu)先保證站點在線可管控。

衛(wèi)星系統(tǒng)基于不同業(yè)務類型虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN)設置優(yōu)先級,保障高優(yōu)先級接口數(shù)據(jù)優(yōu)先通過,其中基站交換機、電源、eNodeB的OAM鏈路接口優(yōu)先級最高,S1-C優(yōu)先級第2,S1-U優(yōu)先級第3,其他類業(yè)務優(yōu)先級最低。

4 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)及業(yè)務部署

4G無線網(wǎng)絡應用同步衛(wèi)星通信技術承載,每個衛(wèi)星波束覆蓋一定的地域范圍,規(guī)劃一批站點共享同一個衛(wèi)星傳輸通道帶寬資源。衛(wèi)星關口站、衛(wèi)星和基站側衛(wèi)星設備共同組成端到端的L2層通信網(wǎng)絡,規(guī)劃多個4G無線基站共同接入一個衛(wèi)星關口站,如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)

每個基站上下行總和承諾信息速率(Committed Information Rate,CIR)為2 Mbps,峰值信息速率(Max Information Rate,MIR)為8 Mbps,N個無線基站組成無線基站群,帶寬共享充分使用VSAT網(wǎng)絡資源[3]。無線基站設備包括無線BTS設備、能源設備、交換設備、衛(wèi)星設備、視頻監(jiān)控設備等,所有基站設備都通過交換機進行業(yè)務匯聚后上行至衛(wèi)星Modem。衛(wèi)星關口站和4G通信基站之間,端到端采用L2通信[4]。

4G信號通過同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)后的雙向時延,平均值在530 ms左右。上行帶寬為2 Mbps,下行帶寬為6 Mbps。4G手機用戶能夠滿足網(wǎng)頁瀏覽,也能使用微信/WhatsApp等文字消息、語音這些低流量需求的應用程序。

5 結語

通過對同步衛(wèi)星通信技術與4G無線網(wǎng)絡相結合的相關技術研究、場景匹配測試驗證,本文最終形成一套使用VSAT衛(wèi)星通信作為傳輸媒介來承載偏遠地區(qū)4G無線網(wǎng)絡的可行方案。與光網(wǎng)絡傳輸相比,本方案存在3個明顯的劣勢:(1)雙向時延增加約500 ms;(2)Ku波段容易受雨衰的影響;(3)同步衛(wèi)星帶寬價格昂貴,帶寬低。盡管如此,本方案在偏遠島嶼和山區(qū)等場景中仍有一定的應用價值,已在東南亞印尼全境部署,衛(wèi)星基站規(guī)模達到上千,較好地解決了偏遠鄉(xiāng)村4G無線網(wǎng)絡的基本需求。同樣,在國內(nèi)新疆、西藏等偏遠地區(qū)以及東南沿海偏遠島嶼,本方案也具有一定的應用價值。